于軍 邢永中

(鶴壁職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程系，河南鶴壁 458030)

1 引言

在倡導(dǎo)綠色用電的今天，路燈節(jié)能控制日益成為人們關(guān)注的話題，這里設(shè)計(jì)并制作一套模擬路燈節(jié)能控制系統(tǒng)。節(jié)能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示［3］。

圖1 模擬路燈節(jié)能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

模擬路燈節(jié)能控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能:支路控制器有時(shí)鐘功能，能設(shè)定、顯示開關(guān)燈時(shí)間，控制整條支路按時(shí)開燈和關(guān)燈;能根據(jù)環(huán)境明暗變化，自動(dòng)開燈和關(guān)燈，能根據(jù)交通情況自動(dòng)調(diào)節(jié)亮燈狀態(tài);并能分別獨(dú)立控制單只路燈的開燈和關(guān)燈時(shí)間;當(dāng)路燈出現(xiàn)故障時(shí) (燈不亮)，支路控制器發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，并顯示有故障路燈的地址編號(hào)。單元控制器具有調(diào)光功能，路燈驅(qū)動(dòng)電源輸出功率能在規(guī)定時(shí)間按設(shè)定要求自動(dòng)減小，該功率應(yīng)能在20%～100%范圍內(nèi)設(shè)定并調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)誤差≤2%。

2 總體設(shè)計(jì)方案

2.1 設(shè)計(jì)思路

設(shè)計(jì)采用PWM脈寬調(diào)制技術(shù)和恒流源電路對路燈的驅(qū)動(dòng)和亮度調(diào)節(jié)。通過單片機(jī)和傳感器及其檢測電路完成路燈工作狀態(tài)的控制。顯示部分利用液晶顯示模塊，菜單式操作，顯示時(shí)間、故障路燈地址、支路開關(guān)燈時(shí)間、每只燈的開關(guān)時(shí)間等功能。

2.2 設(shè)計(jì)原理

根據(jù)模擬路燈節(jié)能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，將整體電路分成為五部分:環(huán)境控制電路、時(shí)鐘電路、交通狀況的傳感器檢測電路、顯示控制模塊、LED恒流驅(qū)動(dòng)及故障檢測電路。

2.2.1 環(huán)境控制電路

利用光敏電阻的阻值與光照度呈反比例關(guān)系，采樣其兩端的電壓信號(hào)，利用采樣的電壓信號(hào)通過施密特觸發(fā)器輸出的TTL電平來控制LED燈的開關(guān)。電路可靠，有效地避免由于短時(shí)間光照劇烈變化引起的誤動(dòng)作，操作者可以通過電位器方便的進(jìn)行調(diào)試。

2.2.2 時(shí)鐘電路

使用時(shí)鐘專用芯片DS1302進(jìn)行時(shí)鐘控制，通過外加很少的電路就可以實(shí)現(xiàn)高精度的時(shí)鐘信號(hào)。外圍電路簡單可靠，時(shí)間精度高，采用串口通信可以節(jié)省I/O口的資源，通過外接鋰電池后可以實(shí)現(xiàn)時(shí)間信息儲(chǔ)存。

2.2.3 交通狀況的傳感器檢測電路

使用紅外傳感器，來判斷物體是否通過相關(guān)位置，并送入單片機(jī)判斷執(zhí)行相關(guān)程序。它具有光電傳感器的優(yōu)點(diǎn)，又避免了LED燈的燈光干擾。

2.2.4 顯示控制模塊

使用128×64液晶點(diǎn)陣進(jìn)行信息顯示，使用獨(dú)立鍵盤進(jìn)行功能切換和時(shí)間調(diào)整。信息量大，外圍電路簡單，通過下拉式菜單方便操作，人機(jī)界面友好。

2.2.5 LED恒流驅(qū)動(dòng)及故障檢測電路［4］

利用三端可調(diào)穩(wěn)壓集成塊LM317，實(shí)現(xiàn)恒流輸出。PWM脈寬調(diào)制法來控制燈的亮度，可以精確的控制燈的亮度和功率，而且LED燈在從暗到亮的變化中過度平滑?？梢赃x用單片機(jī)內(nèi)部集成有兩路PWM脈寬，能方便的產(chǎn)生所需要的PWM脈寬調(diào)制信號(hào)。

2.3 系統(tǒng)組成［2］

2.3.1 根據(jù)以上的設(shè)計(jì)思路及設(shè)計(jì)原理確定系統(tǒng)組成框圖如圖2。

圖2 系統(tǒng)組成框圖

圖3 LED燈控制邏輯關(guān)系圖

2.3.2 每只LED燈控制邏輯關(guān)系圖如圖3所示。在規(guī)定的時(shí)間條件成立 (開燈時(shí)間)或環(huán)境明暗條件成立 (暗到一定程度)的情況下開燈;當(dāng)有物體(如人、車等)通過到規(guī)定的區(qū)域內(nèi)時(shí)燈亮，當(dāng)物體離開規(guī)定區(qū)域時(shí)燈滅，實(shí)現(xiàn)節(jié)能要求。

3 單元電路設(shè)計(jì)

3.1 環(huán)境光控制電路

環(huán)境控制電路是對環(huán)境光亮度的檢測，將檢測信號(hào)送單片機(jī) P15，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開燈關(guān)燈。圖4為環(huán)境控制電路圖。

明暗檢測采用光敏電阻RG1和R12(RP2)分壓，提取電壓信號(hào)，送到由555定時(shí)器組成的施密特觸發(fā)器。當(dāng)環(huán)境暗到一定程度 (通過RP2可以方便的調(diào)節(jié))，RG1阻值上升，施密特觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，將電平信號(hào)送單片機(jī)處理。C8為抗干擾設(shè)計(jì)，如天暗時(shí)，閃電的干擾，C8使555的2腳電壓不會(huì)突變，防止誤動(dòng)作。D2為指示燈，方便調(diào)試［5］。

3.2 時(shí)鐘電路

DS1302是一款高精度時(shí)鐘集成電路，它可以進(jìn)行年、月、日、星期、時(shí)、分、秒計(jì)時(shí)，功能強(qiáng)大。電路如圖5所示。

圖4 環(huán)境控制電路圖

圖5 時(shí)鐘電路圖

3.3 交通狀況的傳感器檢測電路

傳感器檢測電路如圖6所示。

傳感器采用E18-D80NK紅外傳感器，是一種集發(fā)射與接收于一體的光電傳感器。檢測到目標(biāo)是低電平輸出，正常狀態(tài)是高電平輸出;檢測距離可以根據(jù)要求進(jìn)行調(diào)節(jié)。

3.4 顯示控制模塊

顯示控制模塊如圖7所示。控制見軟件設(shè)計(jì)。

3.5 LED恒流驅(qū)動(dòng)及故障檢測電路

圖6 傳感器檢測電路圖

圖7 顯示控制模塊

恒流驅(qū)動(dòng)及故障檢測電路如圖8所示。

圖8是其中一路LED恒流驅(qū)動(dòng)電路。恒流驅(qū)動(dòng)最簡單的兩端線性恒流驅(qū)動(dòng)電路。它借用三端集成穩(wěn)壓器LM317組成恒流電路，外圍僅用兩個(gè)元件:電流取樣電阻R42和抗干擾消振電容C9。J9、J10、J12分別是路燈、壓降測試端、電流測試端。

恒流值I由R42值來確定:I=1.25/R42。

1.25 V是LM317的基準(zhǔn)電壓。反過來，根據(jù)所要求的恒流值 I，可計(jì)算電流取樣電阻:R42=1.25/I。

LM317最大輸出電流可達(dá)1.5 A，工作壓差≤40V，穩(wěn)流精度高，可達(dá)±1～2%，內(nèi)部設(shè)有過流、過熱保護(hù)，使用安全可靠。

LM317工作在線性狀態(tài)，其功率損耗 P=UI，在恒流值I已定的情況下，只有降低工作壓差U才能降低功耗。合適的工作壓差選擇在4～8V范圍。低于3V將不恒流了。

單片機(jī)輸出PWM加在IRF540柵極，控制其通斷，來達(dá)到調(diào)整 LED亮度 (功率)的功能。PWM頻率一般取值經(jīng)驗(yàn)500～1000Hz，通過信號(hào)發(fā)生器實(shí)際測試PWM占空比在20～100%范圍調(diào)節(jié)，頻率到1000Hz左右時(shí)路燈無閃爍感。

故障檢測電路，采集IRF540漏極電壓，經(jīng)D6、R40、C7峰值檢波電路得到直流電壓信號(hào)，與LM393組成的比較器的2腳電壓比較輸出電平信號(hào)送單片機(jī)P10檢測。按圖元件取值，實(shí)測路燈正常時(shí)，C7電壓為3.3V，斷路故障時(shí)0V，短路故障時(shí)7.2V。實(shí)際電路只做了檢測斷路故障，平時(shí)P1.0為高電平，斷路故障時(shí)3932腳電壓為0V，比較器翻轉(zhuǎn)輸出低電平。R39調(diào)節(jié)比較器基準(zhǔn)電壓，可以在1V左右，防止干擾信號(hào)。R37取值關(guān)鍵，影響C7的放電時(shí)間。經(jīng)實(shí)驗(yàn)取300K較合適。短路檢測原理同上。注意PWM的占空比只能在20%～99.5%之間調(diào)節(jié)，當(dāng)輸出100%的PWM時(shí)，IRF540始終處于導(dǎo)通狀態(tài)，C7不會(huì)被充電，會(huì)影響故障檢測。

圖8 恒流驅(qū)動(dòng)及故障檢測電路

圖9 鍵盤及液晶顯示流程圖

4 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是按要求對路燈控制和液晶的操作界面設(shè)置。

4.1 軟件實(shí)現(xiàn)的功能

(1)時(shí)鐘功能。 (2)路燈控制。 (3)2路PWM控制。(4)鍵盤及液晶顯示。

4.2 鍵盤及液晶顯示

液晶顯示和功能設(shè)置采用菜單式操作，流程圖如圖9所示。液晶帶漢字庫，操作界面友好方便，設(shè)置四個(gè)多功能鍵和一個(gè)返回鍵完成整個(gè)路燈控制設(shè)置和PWM輸出。

4.3 路燈控制流程圖［1］

圖10 路燈控制流程圖

5 系統(tǒng)測試

5.1 時(shí)鐘設(shè)置測試

通過菜單操作，進(jìn)入時(shí)間設(shè)定，和開關(guān)燈設(shè)置。設(shè)置當(dāng)前時(shí)間在開關(guān)燈時(shí)間內(nèi):實(shí)測時(shí)，當(dāng)前時(shí)間設(shè)置為20點(diǎn)、兩路燈的開燈均設(shè)置為18點(diǎn)、關(guān)燈時(shí)間設(shè)置均為為6點(diǎn)。移動(dòng)物體按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行測試，滿足要求。

5.2 環(huán)境明暗變化測試

晚上，用物體遮擋光敏電阻，調(diào)節(jié)PR2關(guān)燈，指示燈D2滅，表示調(diào)好。關(guān)燈移動(dòng)物體按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行測試，滿足要求。

5.3 獨(dú)立時(shí)間控制設(shè)置

將兩燈開關(guān)時(shí)間分別設(shè)置。一路滿足開燈時(shí)間條件，一路不滿足時(shí)間條件。移動(dòng)物體按基本要求進(jìn)行測試，滿足開燈時(shí)間條件的路燈會(huì)按要求亮滅，不滿足時(shí)間條件的路燈長滅。交換兩路燈開燈條件結(jié)果一致。

5.4 將路燈1去掉 (模擬斷路)，滿足時(shí)間條件，移動(dòng)物體按基本要求路燈1應(yīng)該亮，蜂鳴器響，同時(shí)示警燈閃爍，液晶顯示L1故障。路燈2同樣滿足要求。實(shí)際的LED燈故障基本都是斷路，所以僅作斷路檢測。

5.5 由于路燈LED亮滅時(shí)由PWM控制，只要PWM信號(hào)能在20～100%內(nèi)調(diào)節(jié)，誤差小于2%，則路燈電源的輸出功率就能滿足設(shè)計(jì)要求。實(shí)際測試PWM信號(hào)只能在20%～99%間調(diào)節(jié) (見2.5所示)，最大誤差1%，滿足設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)束語

模擬路燈節(jié)能控制系統(tǒng)經(jīng)測試完全滿足設(shè)計(jì)要求和工作需要，控制系統(tǒng)操作界面簡單易懂，單電源供電使電路簡潔明快，成本低廉;環(huán)境光控制電路、恒流驅(qū)動(dòng)及故障檢測電路設(shè)計(jì)特色突出，交通狀況的傳感器檢測電路經(jīng)濟(jì)實(shí)用，整個(gè)模擬路燈節(jié)能控制系統(tǒng)的應(yīng)用前景廣泛，具有開發(fā)應(yīng)用價(jià)值。

說明:該論文指導(dǎo)設(shè)計(jì)的電子作品在2009年全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽河南賽區(qū)獲一等獎(jiǎng)見http://jwc.zzti.edu.cn/InfoView.aspx?id=1061

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